縱橫交叉伸縮縫有限元分析

李世仲　呂自福　王曉洋邢鈺坤　鄒建康　黃成宇　張健　李祖成

摘 要：基于成都三環(huán)路航天立交伸縮縫實(shí)例工程的細(xì)節(jié)，能夠探究縱橫交叉伸縮縫的應(yīng)用效果與受力狀態(tài)，使整體受力的集合情況可以得到有效明確，并總結(jié)為簡(jiǎn)單模型。隨后應(yīng)用有限元軟件平臺(tái)，可以對(duì)伸縮縫在各個(gè)工作狀態(tài)下的伸縮部分、錨固混凝土部分受力性能展開模擬，有利于后續(xù)的進(jìn)一步應(yīng)用與改進(jìn)。同時(shí)，通過對(duì)縱橫交叉復(fù)雜變形伸縮縫進(jìn)行靜力分析和動(dòng)力分析，可以明確在車輪載荷作用下伸縮縫各構(gòu)件的受力位置。

關(guān)鍵詞：TST伸縮縫;型鋼伸縮縫;靜力分析;動(dòng)力分析

0 前言

在立交橋改造工程中，對(duì)原混凝土橋梁相應(yīng)部位采用鋼箱梁進(jìn)行幫寬時(shí)，鋼箱梁與混凝土梁之間需要設(shè)置縱向彈性伸縮縫，以達(dá)到擴(kuò)大路面寬度的目的。幫寬段處，在原混凝土梁橫橋向伸縮縫部位設(shè)置鋼箱梁橫橋向伸縮縫與原橋伸縮縫相接。運(yùn)營后，幫寬段的伸縮縫部位出現(xiàn)了一定程度的病害[1]，嚴(yán)重影響行車安全，為避免出現(xiàn)進(jìn)一步的病害，應(yīng)及時(shí)對(duì)該伸縮裝置及相關(guān)部位進(jìn)行維修處理，消除安全隱患。

基于成都三環(huán)路航天立交伸縮縫改造工程的細(xì)節(jié)內(nèi)容，能夠有效推斷縱橫交叉復(fù)雜變形類型伸縮縫的正常工作情況，有利于后續(xù)應(yīng)用的進(jìn)一步處理。同時(shí)，還能夠總結(jié)其應(yīng)用狀態(tài)的幾何關(guān)系，并得出對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)單模型，使后續(xù)的軟件平臺(tái)能夠?qū)κ芰η闆r進(jìn)行仿真模擬，實(shí)現(xiàn)良好的探究目標(biāo)。

通過對(duì)縱橫交叉復(fù)雜變形伸縮縫進(jìn)行靜力分析和動(dòng)力分析，明確了在車輪載荷作用下伸縮縫各構(gòu)件的受力位置。

1 伸縮縫有限元計(jì)算

1.1 概述

縱橫交叉復(fù)雜變形伸縮縫在幫寬段的縱向TST伸縮縫[2]與橫向伸縮縫的結(jié)合部2 m位置處，采用變形量更大的T字或十字型鋼伸縮縫，替代對(duì)變形適應(yīng)能力較小的TST伸縮縫。

將結(jié)合部的復(fù)雜大變形交給型鋼伸縮縫，而TST伸縮縫只負(fù)責(zé)縱向小變形量。縱向TST伸縮縫與型鋼伸縮縫，在結(jié)構(gòu)部以遠(yuǎn)2 m處（雙向4 m）進(jìn)行對(duì)接。此2 m的結(jié)合部位采用高強(qiáng)度高韌性的聚胺脂彈性混凝土（或快速混凝土）作為伸縮縫錨固位置的填料以適應(yīng)縱、橫方向的雙向復(fù)雜變形，還可應(yīng)對(duì)新舊橋梁的不同沉降和滑移變形。

聚胺脂彈性混凝土（或快速混凝土）與鋼材、混凝土及瀝青混凝土之間的粘接性能都很好，可確保端部結(jié)合緊密牢固，無任何漏泄。

結(jié)合部的T字或十字型鋼伸縮縫膠條（每端0.6 m）采用專用T字或十字型膠條進(jìn)行密封，確保結(jié)合部無任何泄漏。

T字或十字型結(jié)合部膠條與型鋼伸縮縫各膠條之間進(jìn)行熱接，杜絕泄漏現(xiàn)象發(fā)生。

TST伸縮縫與型鋼伸縮縫對(duì)接處采用30 cm寬聚胺脂彈性混凝土進(jìn)行填充，確保端部密封連接。

縱橫交叉復(fù)雜變形伸縮縫結(jié)構(gòu)平面圖如下所示：

1.2 荷載

在我國通用設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)容中，針對(duì)伸縮縫的頂部區(qū)域靜力荷載與豎向、水平荷載均明確了可能存在的相關(guān)狀態(tài)。在這些狀態(tài)中，主要以豎向靜力荷載為基礎(chǔ)類型。豎向靜態(tài)荷載能夠利用數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析與計(jì)算，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)容能夠了解，常規(guī)載具后軸重力為140 kN，基于這一數(shù)據(jù)能夠計(jì)算伸縮縫承受的輪胎壓力，通常為70 kN。在載具不斷通過公路橋梁產(chǎn)生沖擊作用的條件下，整體沖擊系數(shù)的極限為1.45。結(jié)合這些信息內(nèi)容，能夠推斷伸縮縫豎向極限輪胎荷載為203 kN，車輛單租輪胎極限豎向荷載為101.5 kN。在計(jì)算水平方向的靜態(tài)荷載時(shí)，由于無需將車輛制動(dòng)的相關(guān)數(shù)據(jù)納入計(jì)算，因此僅需要分析車輛本身產(chǎn)生的摩擦力大小即可。根據(jù)相關(guān)規(guī)范數(shù)據(jù)能夠了解，常規(guī)車輛在行駛過程中產(chǎn)生的摩擦力或阻力為自重的0.03倍，因此可以得出伸縮縫的摩擦受力為4.2 kN。

1.3 針對(duì)有限元的深入分析與探究

為了達(dá)到良好的分析與研究效果，應(yīng)當(dāng)采用有限元軟件平臺(tái)，對(duì)伸縮縫的狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，使后續(xù)的進(jìn)一步探究能夠有效展開。在這一過程中，由于需要模擬伸縮縫的情況，因此應(yīng)當(dāng)將橋梁的某一區(qū)域截取為研究目標(biāo)。通過結(jié)合模數(shù)式伸縮部分與錨固區(qū)域混凝土，能夠探究截取區(qū)塊的伸縮縫有限元模型，并將其約束簡(jiǎn)化為固端約束。有限元模型將會(huì)有一些假設(shè)情況，如下文：

為了確保研究能夠正常進(jìn)行，應(yīng)當(dāng)首先假定錨固區(qū)域混凝土與梁端區(qū)域的混凝土材料不存在間隙問題，并保持緊密粘結(jié)的狀態(tài)。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)確保兩者與預(yù)埋、錨固鋼筋能夠具備優(yōu)秀的協(xié)同作用。其次，伸縮區(qū)域的位移箱應(yīng)當(dāng)能夠滿足在荷載壓力下的形變需求，并保證車輪的壓力能夠快速傳遞至梁體區(qū)域。最后，為了提高研究的效率，應(yīng)當(dāng)將車輛在常規(guī)情況下產(chǎn)生的水平荷載影響忽略，并排除橡膠條產(chǎn)生的連帶作用。

位移箱與支撐橫梁之間的彈性元件剛度，阻尼系數(shù)根據(jù)試驗(yàn)確定。

1.3.1 伸縮縫模型靜力分析

在研究伸縮部件的靜態(tài)受力狀態(tài)時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先施加單軸車輪壓力，并將區(qū)域設(shè)置為中梁段。常規(guī)情況下，車輪的壓力應(yīng)當(dāng)為標(biāo)準(zhǔn)軸重140 kN。通過將車輪按照最負(fù)面狀態(tài)加載至伸縮部件，并忽略其他區(qū)域車輛的影響，能夠利用有限元的模型計(jì)算伸縮裝置整體或局部的應(yīng)力情況，并得出云圖。

通過分析相關(guān)信息內(nèi)容能夠發(fā)現(xiàn)，伸縮裝置整體受力核心目標(biāo)處于輪壓荷載位置周邊，遠(yuǎn)離受力點(diǎn)位的材料承受應(yīng)力較低。錨固區(qū)域混凝土受力較輕微，但根據(jù)相關(guān)分析內(nèi)容能夠發(fā)現(xiàn)這一部分的破損問題較為嚴(yán)重，容易在極限車輛荷載的影響下出現(xiàn)損害問題。錨固區(qū)域混凝土的主要受力點(diǎn)位在位移箱體附近，遠(yuǎn)離這一區(qū)域的混凝土受力較輕微，應(yīng)力水平低。在道路橋梁的伸縮縫區(qū)域結(jié)構(gòu)中，由于車道的影響，載具壓力普遍通過輪胎傳遞至伸縮縫的局部區(qū)域，使一小部分的壓力較高。這一設(shè)計(jì)能夠有效提升局部混凝土的基礎(chǔ)強(qiáng)度，使其穩(wěn)定性、延展性能夠得到有效強(qiáng)化，延長(zhǎng)其應(yīng)用壽命。

1.3.2 模型分析伸縮縫的動(dòng)力狀態(tài)

在分析過程中，可以根據(jù)實(shí)踐探究狀態(tài)對(duì)差異化軸重載具不同動(dòng)力進(jìn)行研究，進(jìn)一步了解車輛輪胎載荷對(duì)重量錨固區(qū)域混凝土危險(xiǎn)部件的應(yīng)力時(shí)程曲線情況。在分析的過程中，應(yīng)當(dāng)假定伸縮縫模型屬于理想化情況，避免納入不良缺陷問題進(jìn)行研究。

開展動(dòng)力分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)將車輪荷載設(shè)置于重量區(qū)域，并按照對(duì)應(yīng)的寬度進(jìn)行規(guī)劃。根據(jù)我國相關(guān)技術(shù)規(guī)范能夠了解，車輪與地面接觸寬度、長(zhǎng)度為0.6 m、0.2 m，整體荷載會(huì)施加于邊梁區(qū)域與中梁區(qū)域。在這種情況下，中梁極限豎向作用受力為52.5 kN。

垂直動(dòng)力荷載分析應(yīng)當(dāng)選擇連續(xù)荷載條件進(jìn)行探究，并將車速設(shè)置為80 km/h，在這種情況下，車輪經(jīng)過中梁區(qū)段所需時(shí)間為0.012 6 s。通過這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)行后續(xù)探究，將作用時(shí)間設(shè)置為t，并按照車速情況進(jìn)行分析。載荷設(shè)置為F，按照車路經(jīng)過中梁區(qū)域的均勻荷載情況進(jìn)行檢查。F數(shù)據(jù)如圖11所顯示的情況，結(jié)合伸縮縫力學(xué)模型能夠探究車輛駛過中梁區(qū)域的錨固區(qū)混凝土危險(xiǎn)部位所處區(qū)域，即位移箱周邊。

根據(jù)相關(guān)信息能夠了解，載具軸重設(shè)置為120 kN情況下，錨固區(qū)域的混凝土極限應(yīng)力為0.864 MPa，極限主壓應(yīng)力數(shù)據(jù)為1.253 MPa。與規(guī)定數(shù)據(jù)相對(duì)比，符合基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。在軸重為140 kN的情況下，錨固區(qū)域極限主應(yīng)力為1.008 MPa，極限壓應(yīng)力為1.496 MPa，同樣低于規(guī)范數(shù)據(jù)。通過在基礎(chǔ)軸重140 kN的條件上繼續(xù)提高軸重42%，能夠使錨固區(qū)域的混凝土主拉應(yīng)力上升37%，數(shù)據(jù)為1.390 MPa，仍然低于規(guī)范數(shù)據(jù)。在極限主壓應(yīng)力提升38%的狀態(tài)下，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為2.062 MPa，符合規(guī)范數(shù)值。

2 總結(jié)

利用軟件平臺(tái)進(jìn)行受力分析能夠了解各個(gè)部件的受力區(qū)域，可以明確軸重差異載具對(duì)伸縮縫錨固混凝土的影響。能夠得出對(duì)應(yīng)結(jié)論，即構(gòu)件受力主要區(qū)域?yàn)檩唹汉奢d周邊，遠(yuǎn)離受力點(diǎn)位材料壓力較低。錨固區(qū)混凝土受力位于輪壓載荷位移箱體周邊，遠(yuǎn)離該區(qū)域的混凝土應(yīng)力水平較小。

參考文獻(xiàn)：

[1]李保成.淺論公路橋梁伸縮縫[J].湖南交通科技，1997，23（4）：30-32.

[2] 丁英，王忠倫，賈成賀.TST橋梁彈性伸縮縫的應(yīng)用[J].北方交通，2008（5）：160-161.